Перейти к содержанию

PCM5102A, PCM5101A, PCM5100A — стереоЦАП I²S от TI

PCM5102A — звуковой стереоЦАП Texas Instruments с входом I²S и линейным выходом 2,1 В ср. кв., который работает от одного питания 3,3 В. Внутренняя PLL восстанавливает системную частоту из BCK, поэтому хватает трёх проводов — BCK, LRCK и DIN, а встроенный подкачивающий преобразователь даёт отрицательную шину, и выход центрирован относительно земли без разделительных конденсаторов. Разбираем по даташиту выводы, допустимые частоты BCK, выбор формата и фильтра, мьютирование, питание и отличия от PCM5101A, PCM5100A и старого PCM5102.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

PCM5102A (Texas Instruments) — цифро-аналоговый преобразователь звука на два канала с входом I²S. Он превращает поток отсчётов от микроконтроллера, ESP32 или одноплатного компьютера в линейный сигнал для усилителя. В семействе три модели с одинаковыми выводами и разным качеством: PCM5102A (112 дБ), PCM5101A (106 дБ) и PCM5100A (100 дБ). Сами усилители мощности разобраны в разделе «Микросхемы усилителей звука», например PAM8403 и TPA3116D2.

Коротко

  • Качество — PCM5102A: динамический диапазон и SNR 112 дБ, THD+N −93 дБ при −1 дБ шкалы (тип., 48 кГц).
  • Вход — I²S или выравнивание влево, 16–32 бита, fS от 8 до 384 кГц; три провода при внутренней PLL.
  • Выход — 2,1 В ср. кв. относительно земли, нагрузка 1–10 кОм, без разделительных конденсаторов.
  • Питание — AVDD и CPVDD 3,3 В, DVDD 1,8 или 3,3 В; около 60 мВт при 3,3 В и нулевых данных (тип.).
  • Управление — только выводами: формат (FMT), фильтр (FLT), коррекция 44,1 кГц (DEMP), выключение звука (XSMT).
  • Корпус — TSSOP-20 (PW); PCM5102A — −25…+85 °C, PCM5102A-Q1 — −40…+125 °C.

Выводы

PCM5102A, вид сверху: 1 CPVDD, 2 CAPP, 3 CPGND, 4 CAPM, 5 VNEG, 6 OUTL, 7 OUTR, 8 AVDD, 9 AGND, 10 DEMP, 11 FLT, 12 SCK, 13 BCK, 14 DIN, 15 LRCK, 16 FMT, 17 XSMT, 18 LDOO, 19 DGND, 20 DVDDPCM5102A1CPVDD2CAPP3CPGND4CAPM5VNEG6OUTL7OUTR8AVDD9AGND10DEMP11FLT12SCK13BCK14DIN15LRCK16FMT17XSMT18LDOO19DGND20DVDDвид сверху
PCM5102A, PCM5101A и PCM5100A в корпусе TSSOP-20, вид сверху; выводы те же, что у PCM5102
ВыводИмяНазначение
1CPVDDпитание подкачивающего преобразователя, 3,3 В
2, 4CAPP, CAPMлетающий конденсатор преобразователя (2,2 мкФ на рис. 33)
3CPGNDземля преобразователя
5VNEGотрицательная шина −3,3 В, конденсатор 2,2 мкФ на землю
6, 7OUTL, OUTRлинейные выходы левого и правого каналов
8AVDDаналоговое питание, 3,3 В
9AGNDаналоговая земля
10DEMPкоррекция предыскажений для 44,1 кГц: 0 — выкл., 1 — вкл.
11FLTфильтр: 0 — обычный, 1 — с малой задержкой
12SCKсистемная частота; для работы от PLL — на землю
13BCKтактовая частота битов
14DINданные
15LRCKчастота слов (выбор канала)
16FMTформат: 0 — I²S, 1 — выравнивание влево
17XSMT0 — мягкое выключение звука, 1 — работа
18LDOOвыход внутреннего стабилизатора 1,8 В (по табл. 12 — развязка 0,1 мкФ, на рис. 33 — 0,1 и 10 мкФ) или вход внешних 1,8 В
19DGNDцифровая земля
20DVDDцифровое питание 1,8 или 3,3 В, оно же уровень логики

Цифровые входы — триггеры Шмитта с допуском напряжения без питания (failsafe). Корпус TSSOP-20 описан чертежом PW0020A (4220206/A): 6,4–6,6 × 4,3–4,5 мм, шаг 0,65 мм. Типовая схема TI (рис. 33): на AVDD, CPVDD и DVDD — по 0,1 и 10 мкФ, на LDOO — 0,1 и 10 мкФ, на выходах — RC-фильтр 470 Ом и 2,2 нФ; FLT, FMT и DEMP соединены с землёй.

Тактирование: PLL вместо MCLK

С внешней системной частотой на SCK (четырёхпроводный I²S) PCM5102A сам определяет её кратность: поддерживаются 128–3072 · fS при частоте дискретизации до 192 кГц и 64 или 128 · fS при 384 кГц, не выше 50 МГц (табл. 2 и 10), например 12,288 МГц = 256 · 48 кГц. Подробнее о MCLK — в статье «MCLK в I²S».

Если SCK держать на земле, а BCK и LRCK идут правильно 16 периодов LRCK подряд, запускается внутренняя PLL и делает системную частоту из BCK. Допустимые BCK (табл. 11):

fS, кГцBCK = 32 · fSBCK = 64 · fS
8——
16—1,024 МГц
321,024 МГц2,048 МГц
44,11,4112 МГц2,8224 МГц
481,536 МГц3,072 МГц
963,072 МГц6,144 МГц
1926,144 МГц12,288 МГц
38412,288 МГц24,576 МГц

Наш вывод из таблицы: PLL работает при BCK от 1,024 МГц, поэтому 8 кГц без внешнего SCK не воспроизводится, а 16 кГц — только с BCK = 64 · fS. Таблица 2 допускает слова 32, 24, 20 и 16 бит; на рис. 13–14 показаны 16, 24 или 32 бита при BCK 64 · fS, 16 или 24 бита при 48 · fS и только 16 бит при 32 · fS. Данные принимаются по фронту BCK, старшим битом вперёд, в дополнительном коде.

Если фаза LRCK относительно системной частоты уходит больше чем на ±5 периодов SCK или соотношение LRCK и BCK нарушено дольше 4 периодов LRCK, ЦАП переходит на внутренний генератор и выводит ноль до восстановления синхронизации (разд. 9.3.2.1). Поэтому BCK и LRCK должны идти от одного источника без пропусков.

Параметры

Условия — AVDD = CPVDD = DVDD = 3,3 В, fS = 48 кГц, SCK = 512 · fS, 24 бита, нагрузка 10 кОм через 470 Ом с 2,2 нФ; PCM5102A при 25 °C, исполнение Q1 — при −40…+125 °C (табл. 8.5).

ПараметрPCM5102APCM5101APCM5100A
THD+N при −1 дБ шкалы−93 дБ тип., −83 дБ макс.−92 / −82 дБ−90 / −80 дБ
Динамический диапазон (A-взвеш.)112 дБ тип., 106 дБ мин.106 / 100 дБ100 / 95 дБ
SNR (A-взвеш.)112 дБ106 дБ100 дБ
Разделение каналов109 дБ тип., 100 дБ мин.103 / 95 дБ97 / 90 дБ
ПараметрМин.Тип.Макс.Условия
Выходное напряжение—2,1 В ср. кв.—полная шкала
Ошибка усиления−6 %±2 %6 %у Q1 — ±7 %
Нагрузка1 кОм—10 кОмрекомендуемые условия
Обычный фильтр: полоса / подавление—0,45 · fS / −60 дБ—неравномерность ±0,02 дБ, задержка 20 tS
Фильтр с малой задержкой—0,47 · fS / −52 дБ—неравномерность ±0,0001 дБ, задержка 3,5 tS
SNR при аналоговом выключении113 дБ123 дБ—XSMT = 0 или нулевые данные
Ток DVDD (3,3 В)—7 мА12 мАнулевые данные
Ток AVDD + CPVDD—11 мА16 мАнулевые данные
Ток AVDD + CPVDD—22 мА32 мАсигнал 1 кГц, −1 дБ шкалы
Мощность, DVDD = 3,3 В—60 мВт92,4 мВтнулевые данные
Мощность в выключенном режиме—2 мВт4 мВтDVDD = 3,3 В
Системная частота SCK——50 МГцпериод 20–1000 нс
Логика: единица / ноль0,7 · DVDD—0,3 · DVDD

Рекомендуемые условия (с. 6): AVDD 3,0–3,46 В (3,2–3,46 В в режиме VREF), CPVDD 3,1–3,46 В, DVDD 1,65–1,95 или 3,1–3,46 В; все земли соединены, разница потенциалов не больше 0,2 В. Предельные режимы: питание до 3,9 В, при DVDD 1,8 В — LDOO и цифровые входы до 2,25 В; ESD ±2000 В по модели тела человека и ±750 В по CDM. Тепловое сопротивление кристалл — среда — 91,2 °C/Вт.

Наш расчёт: 2,1 В ср. кв. — это амплитуда около 2,97 В, размах около 5,9 В при питании 3,3 В; его даёт отрицательная шина VNEG. Частота среза выходного RC-фильтра 470 Ом и 2,2 нФ — 1 / (2π · 470 · 2,2 нФ) ≈ 154 кГц: он срезает внеполосный шум модулятора и не трогает звуковой диапазон. Мощность при нулевых данных и 3,3 В — 3,3 · (7 + 11) ≈ 59 мВт, что сходится с 60 мВт таблицы.

Выключение звука и питание

Вывод XSMT управляет мягким выключением: перепад из 1 в 0 запускает спад громкости по 1 дБ на отсчёт, 104 отсчёта до тишины, обратный перепад — такой же подъём (разд. 9.3.3). Фронты должны быть короче 20 нс. Если управлять не нужно, XSMT соединяют с AVDD.

Чтобы не было щелчка при выключении питания, TI предлагает (разд. 11.2) перевести XSMT в 0 за 150 tS + 0,2 мс до снятия питания или остановить SCK, BCK и LRCK за 3 мс. При DVDD = 3,3 В вывод XSMT может следить за напряжением источника через делитель: если напряжение на нём спадает медленно (дольше 6 мс), сначала срабатывает мягкое выключение (Soft Mute), затем жёсткое (Hard Mute) (разд. 11.3). Пороги по табл. 13: мягкое — 2,0 В мин., 2,2 В тип., 0,9 · DVDD макс.; жёсткое — 0,1 · DVDD мин., 0,9 В тип., 1,2 В макс. Делитель на рис. 39 — 7,25 и 2,75 кОм от 12 В, коэффициент 0,275. Наш расчёт для DVDD = 3,3 В: мягкое выключение начинается при входном напряжении около 2,2 / 0,275 ≈ 8,0 В (в пределах 7,3–10,8 В), то есть уже при просадке шины 12 В на 10 % звук может быть приглушён; жёсткое — около 3,3 В (1,2–4,4 В).

Когда пропадают тактовые сигналы, ЦАП сам уходит в дежурный режим, а если BCK и LRCK стоят в нуле дольше 1 с — в режим выключения с отключением подкачивающего преобразователя; при появлении тактов он запускается снова. Ядро питается от 1,8 В: его делает внутренний стабилизатор из DVDD (вывод LDOO), или 1,8 В подают снаружи на LDOO — тогда стабилизатор выключается. При DVDD = 1,8 В внешние 1,8 В на LDOO обязательны (разд. 11.5.1).

PCM5102A и PCM5102

ПараметрPCM5102A (SLAS859C)PCM5102 (SLAS764B)
Выводы20, TSSOPте же
Звук112 дБ, −93 дБ THD+N, 2,1 В ср. кв.те же типовые значения
DVDD1,8 или 3,3 Втолько 3,3 В
Температура (заказные номера)−25…+85 °C, Q1 — −40…+125 °C−25…+85 °C
Статус в списке заказных номеровActiveNRND

Наш вывод: на платах-модулях встречаются обе микросхемы; схемы для них взаимозаменяемы, если DVDD = 3,3 В.

Расхождения в документации

  • Размер корпуса. Таблица на с. 1 даёт для TSSOP-20 размер корпуса 5,50 × 4,40 мм, а чертёж PW0020A — длину 6,4–6,6 мм.
  • Отключение PLL. История ревизий B сообщает, что фраза «PLL отключается при подаче внешнего SCK» удалена, но в разд. 9.3.5.3 ревизии C она есть.
  • Задержка обычного фильтра. Таблица характеристик — 20 tS, табл. 4–6 — групповая задержка 22 tS.
  • Полоса фильтра с малой задержкой. Таблица характеристик — 0,47 · fS, табл. 7 — 0,45 · fS.
  • Напряжение питания. Рекомендуемые условия ограничивают AVDD, CPVDD и DVDD (3,3 В) значением 3,46 В, а таблица Power Supply Requirements — 3,6 В; нижняя граница DVDD 3,3 В и CPVDD — 3,1 В в одной таблице и 3,0 В в другой.
  • Мощность при DVDD 1,8 В. Максимум — 185 и 187 мВт, больше, чем при DVDD 3,3 В (92,4 и 148,5 мВт). Наш расчёт по типовым токам: 1,8 · 7 + 3,3 · 11 ≈ 49 мВт — это сходится с типовым значением, а максимумы для 1,8 В из токов таблицы не следуют.
  • Делитель для XSMT. Текст разд. 11.3 говорит о делении 12 В «на 4» до 3,3 В и о пике 14,4 В, который даёт 3,6 В; но 12 / 4 = 3 В, а делитель 7,25 и 2,75 кОм на рис. 39 делит в 3,64 раза (наш расчёт: 12 · 2,75 / 10 = 3,3 В, и 3,6 В на выводе будет уже при 13,1 В на входе).
  • Длительности импульсов SCK. История ревизии A: tSCKH и tSCKL изменены на 9 нс; в таблице 8.6 — 9 нс только при DVDD 3,3 В и 8 нс при 1,8 В.

Частые вопросы

Нужно ли подавать MCLK (SCK) на PCM5102A?

Нет. Если вывод SCK соединён с землёй, а BCK и LRCK идут правильно 16 периодов LRCK подряд, PCM5102A запускает внутреннюю PLL и сам делает системную частоту из BCK. Но BCK должен быть 32 или 64 · fS и не ниже 1,024 МГц (табл. 11): 44,1 кГц работает при BCK 1,4112 или 2,8224 МГц, а 8 кГц с PLL не работает совсем. Даташит требует именно уровня земли на SCK, поэтому вывод соединяют с GND, а не оставляют свободным (наш вывод).

Почему PCM5102A молчит?

Частые причины — вывод XSMT в нуле (это мягкое выключение звука: для работы его подают на 3,3 В, на AVDD или на вывод микроконтроллера), неподходящая частота BCK для PLL, неверный формат (FMT = 0 — I²S, FMT = 1 — выравнивание влево) и длинные нули в данных: после 1024 периодов LRCK одних нулей (21 мс при 48 кГц) ЦАП включает аналоговое выключение звука до прихода ненулевых данных.

Можно ли подключить наушники или динамик прямо к PCM5102A?

Нет, это линейный выход: нагрузка по рекомендуемым условиям — от 1 до 10 кОм на канал. Наушники 16–32 Ом и динамик требуют усилителя — например, PAM8403 или TPA3116D2. Зато разделительные конденсаторы не нужны: выход центрирован относительно земли благодаря отрицательной шине −3,3 В от встроенного преобразователя.

Чем PCM5102A отличается от PCM5102 без буквы A?

Выводы и звуковые параметры у них одинаковые: 112 дБ, −93 дБ THD+N, 2,1 В ср. кв. PCM5102 (SLAS764B) питает цифровую часть только от 3,3 В и в списке заказных номеров отмечен NRND — не рекомендуется для новых разработок. PCM5102A допускает DVDD 1,8 В и выпускается также в автомобильном исполнении PCM5102A-Q1 на −40…+125 °C.

Источники

  1. Texas Instruments. PCM510xA 2.1 VRMS, 112/106/100 dB Audio Stereo DAC with PLL and 32-bit, 384 kHz PCM Interface (SLAS859C, May 2012, revised May 2015) — с. 1 — свойства, корпус TSSOP-20; с. 2–3 — история ревизий; с. 4 — сравнение PCM5100A/5101A/5102A; с. 5 — выводы; с. 6 — предельные режимы, ESD, рекомендуемые условия, θJA 91,2 °C/Вт; с. 7–10 — электрические характеристики (уровни логики, THD+N, динамический диапазон, SNR, выход, фильтры, токи и мощность); с. 11 — тайминги SCK и XSMT; с. 14–17 — интерфейс, табл. 2, форматы, детектор нулей, XSMT, табл. 4; с. 21 — табл. 7; с. 24 — табл. 10 (SCK); с. 25 — табл. 11 (BCK для PLL, прочитана по рендеру); с. 26 — рис. 33 (типовая схема, прочитан по рендеру); с. 28–33 — питание, порядок выключения, защита по XSMT (табл. 13), сброс при включении, режимы энергосбережения; с. 36 — заказные номера (Active, −25…+85 °C и −40…+125 °C у Q1); с. 41–42 — чертёж PW0020A (4220206/A)
  2. Texas Instruments. PCM5100, PCM5101, PCM5102 2VRMS DirectPath 112/106/100dB Audio Stereo DAC with 32-bit, 384kHz PCM Interface (SLAS764B, May 2011, revised September 2012) — для сравнения: с. 1–2 — свойства PCM510x (DVDD только 3,3 В), табл. 1; с. 3 — табл. 2 (те же выводы); с. 29 — заказные номера: статус NRND, −25…+85 °C

Нашли ошибку?

Смотрите также